湖北省飲用天然礦泉水成因類型及成礦模式分析

牛俊強, 文美霞, 郭 昆, 周 寧, 葉騰升, 蘇 呈

(1.湖北省地質環境總站,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質局 水文地質工程地質大隊,湖北 荊州 434020)

湖北省飲用天然礦泉水資源較豐富,經國家或省礦泉水技術評審組鑒定的礦泉水水源地共75處,其中大型水源地6處、中型水源地30處,其余為小型水源地。按《飲用天然礦泉水》(GB8537—2008)[1],重新評價礦泉水資源,符合飲用天然礦泉水水質要求的礦泉水有70處。

礦泉水資源的出露呈兩種形式:一種為天然出露的泉水,主要分布于鄂東北大別山、鄂東南、鄂西、鄂中大洪山等丘陵山區;一種為人工或鉆探揭露的,主要分布于江漢盆地和南襄盆地崗狀平原及平原區。

1 飲用天然礦泉水類型

按《飲用天然礦泉水》(GB8537—2008)中界限指標的達標情況將省內礦泉水分為五種類型,即含鍶型、含偏硅酸型、含鍶—偏硅酸復合型、含硒型、含硒—鍶復合型。

含鍶型礦泉水19處,分布于鄂東南、大洪山、鄂西南等地,礦泉水主要產于海相碳酸鹽巖建造地層中,并以石炭系—二疊系、三疊系為主。

含偏硅酸型礦泉水17處,分布于大別山、鄂東南、神農架等地。除3處賦存于新近系碎屑巖中、1處賦存于第四系砂、砂卵石地層中,其余皆分布于以含硅酸巖成分為主的花崗巖、變質巖類區。

含鍶—偏硅酸復合型礦泉水30處,主要分布于江漢盆地、南襄盆地,其他地區零星分布。一部分賦存于下古生代地層,生成與分布主要受斷裂構造的控制,屬深循環的地下水;一部分賦存于新近系—第四系下更新統和中上更新統的半松散或松散的碎屑巖含水層中,為長期溶濾作用下形成的。

含硒—鍶復合型礦泉水2處,分布于建始、恩施。礦泉水含水層為二疊系、三疊系碳酸鹽巖。

含硒型礦泉水2處,分布于襄陽、恩施。礦泉水含水層為二疊系、三疊系碳酸鹽巖。

2 飲用天然礦泉水成因類型

省內礦泉水主要受地質構造條件、地球化學條件及地下水水動力條件等因素的控制,特別是取決于這些因素相互間的配置,據此劃分為三種成因類型。

2.1 斷裂深循環型[2]

系指以溫泉或地熱流體為特征的各類礦泉水。它的形成是地下水通過斷裂導水構造作深循環,在深部運移過程中穿越不同的圍巖化學環境,在溫度效應、壓力效應的影響下,經過長時間的水巖相互作用形成礦泉水(圖1)。

該類礦泉水有10處,礦泉水含水層為三疊系碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層、震旦系—奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層。

圖1 鐘祥市長壽礦泉水形成條件示意圖Fig.1 Diagram of formation conditions of Changshou mineral water in Zhongxiang City

1.地層代號;2.灰巖;3.白云巖;4.砂礫巖;5.砂巖;6.頁巖;7.斷層;8.大氣降水;9.地下水運動方向;10.礦泉水。

圖2 通山縣九宮山礦泉水形成條件示意圖Fig.2 Diagram of formation conditions of Jiugongshan mineral water in Tongshan County1.第四系;2.奧陶系;3.花崗巖;4.花崗細晶巖脈;5.石英脈;6.斷層及編號;7.構造裂隙密集帶;8.風化層下限;9.地下水水位線;10.地下水出露點;11.地下水流方向。

礦泉水類型主要為含鍶—偏硅酸復合型,少量含偏硅酸型、含鍶型。含鍶量一般為0.23～0.92 mg/L,偏硅酸含量一般為30.01～54.91 mg/L,其總的變化規律,含水層為三疊系的鍶含量高于震旦系—奧陶系的鍶含量,此外,其含量的高低還與水溫有關,一般高溫者含量高,低溫者則低,特別是偏硅酸含量表現更為明顯。礦泉水中各種微量元素比較齊全,且含氟量高于其它成因類型的礦泉水。水化學類型主要為重碳酸鈣鎂型,個別為重碳酸氯化物鈣鎂型、重碳酸硫酸鈣鎂型。

礦泉水的形成與地下水的遠源循環效應、溫度及壓力效應,以及圍巖化學環境密切相關[3]。

遠源循環效應:從部分溫泉水中的氫同位素氚的測試值來看,一般在3～8 TU,低者<1 TU,可視為無氚水。從大氣降水入滲徑流至泉水泄溢,循環周期已逾30年,反映了它們徑流途徑比較長,并在遠源滲流循環過程中贏得了水對圍巖作用的時間,致使圍巖中一些礦物成分或元素被充分溶濾,取得了水巖之間的化學動態平衡而形成礦泉水。

溫度及壓力效應:地下水在深循環過程中不斷地與巖溫進行水熱平衡交換,形成了較高溫度的地熱流體,較高的溫度使得圍巖中一些礦物的溶解度增大,促進了地下水對圍巖的溶解。從省內不同溫度分級的地熱流體水化學特征中看出:在23～40 ℃的熱礦泉水中,地熱流體多為低礦化重碳酸鹽型水或重碳酸硫酸鹽型淡水;水溫>40 ℃者,由重碳酸硫酸鹽型向硫酸鹽型過渡,礦化度也隨之增高。從上述規律可看出,隨著溫度的增高,水中溶質組分相應地增加。在同一溶質和相同溶劑的情況下,溶解度除受溫度制約外,還與壓力有關。如華嚴寺礦泉水循環深度為2 603 m,其所承受的壓力,無疑會增強地下水對圍巖某些礦物成分的溶解,并有利于礦泉水的形成。

圍巖化學環境:地下水在深循環過程中穿越不同巖性的地層或不同的地球化學環境,對形成礦泉水的物質來源有利。此外,在一些斷裂帶常見有硅化、黃鐵礦化等礦物伴隨,致使水中硫酸根離子、含氟量增高。這種相關性,不同程度地反映了圍巖化學成分,對礦泉水的形成有明顯的影響。

2.2 裂隙淺循環型

多以泉形式出露,主要分布于山區溝谷兩側,山區大氣降水入滲形成基巖裂隙水或巖溶裂隙水,在沿裂隙或巖溶向下徑流過程中,淋溶流經地層中含量較高的特征元素或組分,并不斷富集,在以泉水形式出露時,特征元素含量已達標,形成礦泉水(圖2)。

該類礦泉水有40處。礦泉水含水層主要為白堊系—古近系砂礫巖裂隙含水層,石炭系—三疊系碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層,花崗巖、變質巖、玄武巖裂隙含水層等。

礦泉水類型與礦泉水含水層巖性關系密切,碎屑巖裂隙含水層為含鍶—偏硅酸復合型,鍶含量一般為0.31～0.78 mg/L,偏硅酸含量為31.2～65.1 mg/L,水化學類型重碳酸鈣(鎂)型;碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層以含鍶型為主,恩施地區見含硒型、含鍶—硒復合型,鍶含量一般為0.32～0.90 mg/L,硒含量一般為0.012～0.048 mg/L,水化學類型多為重碳酸鈣(鎂)型;花崗巖、變質巖裂隙含水層為含偏硅酸型,偏硅酸含量為31.9～59.07 mg/L,水化學類型為重碳酸鈣(鎂)型、重碳酸鈣鈉型;玄武巖裂隙含水層為含鍶—偏硅酸復合型,鍶含量為1.20～2.83 mg/L,偏硅酸含量為56.58～91.44 mg/L,水化學類型多為重碳酸鈣鎂型。

圖3 洪湖市瞿家灣礦泉水形成條件示意圖Fig.3 Diagram of formation conditions of Qujiawan mineral water in Honghu City1.淤泥;2.粘土;3.含礫粘土;4.粉質粘土;5.粉土;6.含泥質砂;7.砂(巖);8.砂礫石(巖);9.地下水位;10.鉆孔編號/單井涌水量(降深);11.地層界線及代號。

礦泉水的形成主要由圍巖化學成分所決定,反映在礦泉水特征性指標上與圍巖的化學成分及其豐度有著明顯的相關性。

硒在地殼巖石圈中含量較低,多呈分散狀態,平均豐度為0.05×10-6,據有關資料,恩施地區二疊系部分層段中含硒豐度77×10-6～423×10-6,遠遠高于地殼含硒平均豐度的1 540～8 460倍,有的地段可達2 892×10-6,富集成硒礦床,這種高硒地球化學背景對釀成含硒礦泉水提供了物質基礎,恩施地區含硒型礦泉水即在此環境下形成。

還有相當多的一部分礦泉水產出的地球化學背景值不像前者那么高,但礦泉水特征成分仍為圍巖所賦含,如分布于二疊系—三疊系、震旦系—寒武系碳酸鹽巖巖類區的含鍶型礦泉水。區域地質資料顯示:崇陽—陽新一帶寒武系中鍶的含量為1 000×10-6～3 000×10-6;黃梅和蒲圻一帶二疊系中鍶的含量低者200×10-6～713×10-6,高者1 000×10-6～3 000×10-6,有的地段高達5 000×10-6:鄂城—黃石一帶三疊系中鍶的含量低者200×10-6～500×10-6,高者1 000×10-6～5 000×10-6,局部地段富集成天青石礦。從上述地層或巖段可以看出,含鍶量高者,濃度均大于克拉克值(375×10-6),有的成倍,甚至十余倍地高于地殼鍶含量的平均豐度,這種異常的地球化學特征構成含鍶礦泉水形成的物質基礎。

上述實例說明礦泉水的形成與圍巖化學成分的密切關系。除圍巖介質條件外,地質構造和水文地質條件的相互配置背景,對礦泉水的形成也起著一定作用。

2.3 層間緩慢徑流型

系指地下水受地層構造和地形地貌等環境因素的控制,徑流滯緩,在長時間的滲流過程中贏得了對圍巖充分作用的時間,使某些元素組分含量達到了礦泉水標準,稱之為緩慢徑流型。因該礦泉水含水層上下,普遍有相對隔水層,地下水受層間控制以水平滲流運動為主,故在命名上貫以“層間”二字,稱作層間緩慢徑流型(圖3)。

該類礦泉水有20處,礦泉水皆為人工揭露。礦泉水含水層為新近系—第四系下更新統裂隙孔隙含水層和第四系中上更新統孔隙承壓含水層。

新近系—第四系下更新統裂隙孔隙含水層中礦泉水15處,主要為含鍶—偏硅酸復合型,少量含偏硅酸型,鍶含量一般為0.31～0.89 mg/L,偏硅酸含量為28.72～78.31 mg/L。水化學類型大多為重碳酸鈣(鎂)型,礦泉水特征性指標鍶、偏硅酸含量總的變化規律,鍶的含量在盆地西部高于東部,而偏硅酸含量盆地東部又高于西部;第四系中上更新統孔隙承壓含水層中礦泉水5處,主要為含鍶—偏硅酸復合型和含偏硅酸型,鍶含量為0.36～0.53 mg/L,偏硅酸含量為35.6～51.85 mg/L,水化學類型多為重碳酸鈣(鎂)型。兩者的主要差異是:含鐵量后者高于前者。前者含鐵量一般為0.00～0.79 mg/L,后者含鐵量一般為2.18～4.40 mg/L。

礦泉水的形成主要受含水層水動力條件和含水層地質結構因素控制[3]。

水動力條件:新近系裂隙孔隙承壓水在盆地崗地地區水力坡度為1/10 000～3/10 000,在平原區為0.7/10 000～1/10 000;中、上更新統孔隙承壓水水力坡度一般為1/7 000～1/10 000,含水巖組滲透系數一般為8～16 m/d,二者之間的結合造成地下水徑流速度緩慢。部分礦泉水氚同位素測試結果顯示,新近系裂隙孔隙承壓水從大氣降水入滲循環到礦泉水的形成至少有25年以上或更早的同位素年齡,由此可見,該礦泉水的形成是地下水與圍巖長期相互作用的結果。

含水層地質結構:新近系—第四系下更新統和中、上更新統含水巖組為一套粗粒相碎屑巖類,地下水在這種多孔介質中滲流或浸泡,與圍巖作用面加大,有利于水對圍巖的溶濾、吸附作用,加上圍巖介質物質組分復雜,提供了礦泉水的物質成分來源。此外,各含水巖組上覆的粘土巖和粘土起著良好的隔水屏障作用。

3 成礦模式

在成因類型分析的基礎上,將省內礦泉水劃分為6種成礦模式(表1)。

斷裂深循環型:根據其形成的構造條件、水動力條件分為背斜式和向斜式兩種成礦模式。背斜式多分布于背斜近核部或被斷層破壞的一翼,大氣降水遠源補給,往往跨多個褶皺,沿巖層傾向或沿褶皺傾伏方向向下滲流,順深大斷裂破碎帶運移,徑流時間長達十幾年或幾十年;向斜式分布于向斜一翼、核部或單斜構造深埋區,大氣降水補給區一般位于向斜的一翼,沿巖層傾向向下滲流,經向斜核部流向另一翼,或在核部附近轉向沿軸向運移,徑流時間、徑流循環深度均較背斜式小。

裂隙淺循環型:根據圍巖地球化學背景分為礦化圍巖式和一般圍巖式兩種成礦模式。礦化圍巖式礦泉水多分布于特定組分形成的礦床周邊(如菱鍶礦)或地球化學背景值異常高(如恩施地區硒背景值異常高)的區域;一般圍巖式礦泉水分布的圍巖中賦含特定的化學組分,但不像礦化圍巖式那么高。

層間緩慢徑流型:主要根據地層結構分為裂隙孔隙式和孔隙式兩種成礦模式。裂隙孔隙式礦泉水主要賦存于新近系—第四系下更新統半固結碎屑巖的裂隙、孔隙中;孔隙式礦泉水主要賦存于第四系中上更新統砂、砂礫石層的孔隙中。

表1 飲用天然礦泉水成礦模式表Table 1 Mineralization model table of natural mineral water

4 結語

飲用天然礦泉水是地下水的一種特殊造化,是特定地質環境下的產物,含有豐富的對人體有益的礦物組分,是人體理想的礦物質補充來源。湖北省內飲用天然礦泉水資源較為豐富,具有良好的經濟價值和開發前景,但在飲用天然礦泉水開發利用過程中,應加強對資源的保護。